(57)【要約】【課題】  建物の固有周期の長周期化が可能となる非線形のばね特性を備えた皿ばねを上下免振装置として用いることにより、水平方向および上下方向の３次元免振を簡単な構成をもって達成する。【解決手段】  建屋上基礎１２と、その下方の建屋下基礎１４との間の上下方向隙間δに皿ばね１６を設ける。皿ばね１６は、過大荷重が作用した場合に、全たわみ量分変形して剛体化し、建物を支持するフェールセーフ機能を兼備し、ばね変形量に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域を用いて、建屋上基礎１２を建屋下基礎１４に当該皿ばね１６のみで弾性支持する。皿ばね１６と建屋下基礎１４との間に、これら建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との水平方向の相対移動を許容するボールベアリング構造からなる移動機構１８を設ける。移動機構１８の移動を弾発力をもって拘束するコイルスプリング２０，２０ａを設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
免振対象物を、その下方の下部構造に対し、該免振対象物と下部構造との間の上下方向隙間に設けた皿ばねのみを介して上下方向に弾性支持し、 該皿ばねは 、過大荷重が作用した場合に、全たわみ量分変形して剛体化し、建物を支持するフェールセーフ機能を兼備して、板厚Ｓと全たわみ量ｈとの比がｈ／Ｓ＝１．３〜１．４の範囲にあり、かつ、ばね変形量に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域を用いるようにし、かつ、該皿ばねと上記下部構造若しくは上記免振対象物の少なくともいずれか一方との間に、これら免振対象物と下部構造との水平方向の相対移動を許容するボールベアリング構造からなる移動機構を設け、かつ、該移動機構の移動を弾発力をもって拘束する弾性部材を設けたことを特徴とする免振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、免振対象物をその下方の下部構造に、上下方向および水平方向に弾性支持することにより、該免振対象物を３次元免振するようにした免振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、中，高層ビル等の多層階建物は基礎との間に免振装置を設けて、地震とか強風等に起因する振動から建物を保護するようになっている。この種の免振装置には一般にアイソレータと称される長周期化のための積層ゴムが用いられ、該アイソレータが水平方向に変形して、建物に入力される水平方向の振動を免振するようになっている。この場合、さらに建物と基礎との間にこれら両者の水平方向の相対移動エネルギーを吸収するためのダンパを設けて、振動減衰が行われるようになっている。従って、上記アイソレータを設けた免振装置では、水平面に沿った前後左右の振動に対して有効となり、２次元免振機能を備えることになる。
【０００３】
また、地震には疎密波（Ｐ波）と、横波（Ｓ波）と、エネルギーが表面付近に集中している表面波とがあることは知られており，Ｐ波、特に表面波では突き上げ方向、つまり上下方向の振動が伝達される。このため、水平方向の２次元免振機能を備えた上記アイソレータのみでは十分に免振することができない。そこで、上記建物と基礎との間に上下振動を効果的に吸収できる緩衝部材を設けて３次元免振することが望ましい。
【０００４】
この種の上下免振装置としては、例えば(1)特公昭５５−４１３８４号公報（Int.Cl.F16F 15/02）とか(2)特公昭６３−６７１０号公報（Int.Cl.E04F 15/18）に開示されたものが従来存在する。(1)の特公昭５５−４１３８４号公報に開示されたものは、コイルスプリング状の懸架ばねで免振対象物を弾性支持したものであり、また、(2)の特公昭６３−６７１０号公報に開示されたものは、空気ばねで免振対象物を弾性支持するようになっている。尚、これら上下免振装置には水平方向の２次元免振機能は備えられていない。
【０００５】
ところで、このようにアイソレータとかコイルスプリング，空気ばねによって建物を弾性支持させた場合、建物全体の重量と、弾性支持部材の剛性（ばね定数）とで決まる固有周期を長周期化することにより、建物を地震から効果的に免振できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、かかる従来の免振装置では、３次元免振を達成するためにコイルばねとか空気ばねを上下免振装置として用いた場合、これらコイルばねおよび空気ばねは、荷重に対する変形量のばね特性が線形であるため、著しく大きな建物重量と、これを支持するばね剛性との兼ね合いから、建物の固有周期を長周期化することが著しく困難になる。
【０００７】
即ち、(1)のコイルばねを用いた場合は、建物の固有周期を長周期化するためには該コイルばねの剛性を低くする必要があるが、このように剛性を低くすると上記建物重量によるばねの沈み込み量が多くなってしまう。このため、上記コイルばねは建物重量による大きな沈み込みと、振動入力時の建物の上下変位量とを吸収しなければならず、この結果該コイルばねの自然長を長くする必要があり、ばねを配置する建物と基礎との間の隙間を大きく設定する必要がある。一方、(2)の空気ばねを用いた場合は、ばねの剛性が低いため建物の固有周期を簡単に長周期化することができるが、地震による高レベルの振動や比較的周期の長い振動に対してはほとんど効果が無く、また、建物の基礎に対する相対変位が過大になると、空気ばね自体が座屈して免振機能が得られなくなってしまう。
【０００８】
このように、従来の免振装置では上下免振機能が十分に得られないものであったため、３次元免振を実用化するのが技術的に困難であり、それを達成するためには著しく複雑な装置が必要になるという各種課題があった。
【０００９】
そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みて、皿ばねが建物の固有周期の長周期化が可能となる非線形のばね特性を呈することに着目し、該皿ばねを上下免振装置として用いることにより、水平方向および上下方向の３次元免振を簡単な構成をもって達成することができる免振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために本発明の免振装置は、免振対象物を、その下方の下部構造に対し、該免振対象物と下部構造との間の上下方向隙間に設けた皿ばねのみを介して上下方向に弾性支持し、 該皿ばねは 、過大荷重が作用した場合に、全たわみ量分変形して剛体化し、建物を支持するフェールセーフ機能を兼備して、板厚Ｓと全たわみ量ｈとの比がｈ／Ｓ＝１．３〜１．４の範囲にあり、かつ、ばね変形量に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域を用いるようにし、かつ、該皿ばねと上記下部構造若しくは上記免振対象物の少なくともいずれか一方との間に、これら免振対象物と下部構造との水平方向の相対移動を許容するボールベアリング構造からなる移動機構を設け、かつ、該移動機構の移動を弾発力をもって拘束する弾性部材を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上の構成になる本発明の免振装置によれば、免振対象物を下部構造に上下方向に弾性支持する皿ばねは、ばね変形量に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域で使用するようにしたので、免振対象物を弾性支持するのに用いる皿ばねの非線形ばね領域では、ばね変形量に対して弾発力の変動が小さいことにより、そのばね剛性は小さなものとなる。従って、当該非線形ばね領域内で上下方向振動を免振するように用いれば、免振装置の固有周期を長周期化することが可能となり、該免振対象物を振動から効果的に上下免振することができる。
【００１２】
一方、上記皿ばねと上記下部構造若しくは上記免振対象物の少なくともいずれか一方との間に、これら免振対象物と下部構造との水平方向の相対移動を許容するボールベアリング構造からなる移動機構を設けると共に、該移動機構の移動を弾発力をもって拘束する弾性部材を設けたので、水平振動が入力された場合に該移動機構を介して免振対象物と下部構造とが該弾性部材の弾発力に抗して水平方向に相対移動して水平振動が吸収される。このとき、上記弾性部材には免振対象物の垂直荷重が直接作用することなく、移動機構の水平移動を弾発力をもって拘束する機能を有しておれば良く、該弾性部材のばね剛性を小さく設定することが容易となる。従って、水平免振を効果的に発揮させることができ、上記皿ばねによる上下免振と相俟って３次元免振を、簡単な構造をもって達成することができる。
【００１３】
また、上記皿ばねは文字通り皿状を成して薄形に形成されるため、該皿ばねを配置する建物と下部構造との間の隙間を小さく設定することができると共に、上記皿ばねに過大荷重が作用した場合には、該皿ばねが全たわみ量分変形し剛体化して建物を支持することができるため、フェールセーフ機能を兼備させることができる。
【００１４】
さらに、皿ばねの板厚と全たわみ量との比ｈ／Ｓが１．３よりも小さいと反りの発生が小さく十分な変形量を確保できず、また１．４よりも大きいと逆向きに反る変形が生じてしまうおそれがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１から図３は本発明の免振装置の一実施形態を示し、図１は免振装置の要部を示す正面図、図２は皿ばねの１枚を取り出して示す拡大断面図、図３は皿ばねの変形量と荷重との関係を示すばね特性図である。
【００１６】
即ち、本実施形態の免振装置１０は、図１に示すように免振対象物としての建物の建屋上基礎１２と、その下方の下部構造としての建屋下基礎１４との間の上下方向隙間δに皿ばね１６を設け、該皿ばね１６は、ばね変形量に対して弾発力の変動が小さくなる非線形ばね領域を用いるように、該皿ばね１６に予圧力を付加した状態で上記建屋上基礎１２を建屋下基礎１４に上下方向に弾性支持し、かつ、該皿ばね１６と上記建屋下基礎１４との間に、これら建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との水平方向の相対移動を許容する移動機構１８を設け、さらに該移動機構１８の移動を弾発力をもって拘束する弾性部材としてのコイルスプリング２０，２０ａを設けることにより構成する。
【００１７】
ここで、上記免振対象物は、免振装置１０上に支持されて免振が施されるべき対象を意味し、上述した建屋下基礎１４の上方に構築される建屋上基礎１２のみならず、当該建屋上基礎１２上に構築される多層階建物を上層部分と下層部分とに上下に分離した場合における下層部分（例えば、１階の柱頭など）に対する上層部分や、二重床構造における免振床などをも含むものである。また、上記下部構造は、上記免振装置１０の下方にあって上記免振対象物に対し振動を伝播し入力する側を意味し、上述した建屋下基礎１４のみならず、上記上層部分に対する下層部分や免振床下方の床スラブなどをも含むものである。
【００１８】
上記皿ばね１６は、図２に示す皿ばね単体１６ａを複数枚用いて構成され、複数枚の皿ばね単体１６ａを同じ向きに重ね合わせた４組のばね積層体を、逆向きに交互に突き合わせて構成されている。そして、上記皿ばね１６は、建屋上基礎１２の下面に固定される上方支持板２２と、建屋下基礎１４の上方に相対移動可能に配置される下方支持板２４との間に取り付けられる。該下方支持板２４は上記移動機構１８の１つの構成要素となり、該下方支持板２４と建屋下基礎１４の上面に固定されるステンレス板等の滑り板２６との間に多数の鋼球２８を介在させることにより、上記移動機構１８が構成される。このとき、上記下方支持板２４の周縁部には鋼球２８が離脱するのを防止するための囲い２４ａが形成されている。従って、上記鋼球２８が下方支持板２４と上記滑り板２６との間で転動することにより、これら下方支持板２４と滑り板２６、延いては建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間が水平方向に滑らかに相対移動できるようになっている。
【００１９】
上記コイルスプリング２０，２０ａは引張りばねとして形成され、上記下方支持板２４の前後（図面表裏方向）および／または左右（図面左右方向）の移動方向両側に配置される。これらコイルスプリング２０，２０ａは、下方支持板２４の移動方向両端部と、該下方支持板２４が移動可能な距離を十分にとって建屋下基礎１４から立設した支柱３０，３０ａとの間に、それぞれが対向して取り付けられ、これら両方のコイルスプリング２０，２０ａの引張り力の均衡位置に下方支持板２４を拘束する。従って、上記下方支持板２４つまり移動機構１８は、上記コイルスプリング２０，２０ａによって所定位置に弾発力をもって拘束されることになる。また、上記皿ばね１６は上記移動機構１８およびコイルスプリング２０，２０ａがセットとなって、建屋上基礎１２と支持基盤１４との間に複数個が配置され、該皿ばね１６によって建屋上基礎１２の建物全体の重量が支持される。
【００２０】
上記皿ばね単体１６ａは図２に示すように、中央部に開口部１６ｂが形成された皿状を成している。上記皿ばね単体１６ａ自体の荷重特性はその形状に依存することが知られており、本実施形態では同図に示すように板厚をＳ、全たわみ量をｈとした場合に、ｈ／Ｓが１．３〜１．４の皿ばねを使用することが好ましい。ｈ／Ｓが１．３よりも小さいと反りの発生が小さく十分な変形量を確保できず、また１．４よりも大きいと逆向きに反る変形が生じてしまうおそれがある。
【００２１】
なお、Ｄｏは皿ばねの外径寸法、Ｄｉは皿ばねの内径寸法である。また、皿ばね単体１６ａの組み合わせ方に関しては、皿ばね１６ａを同じ向きに重ね合わせる並列では、重ね枚数を２枚にすると２倍の弾発力、３枚にすると３倍の弾発力というように、弾発力はこの並列の重ね枚数で調整することができる。また皿ばねの向きを互い違いに重ね合わせる直列では、重ね枚数を２枚にすると２倍のたわみ量、３枚にすると３倍のたわみ量というように、たわみ量はこの直列の重ね枚数で調整することができる。従って、これら並列および直列の並べ方を種々組み合わせることによって、様々な弾発力を確保しつつ所望のたわみ量に設定することができる。
【００２２】
図３には、本実施形態に採用し得るばね特性を有する上記皿ばね１６の荷重（ｗ）−変位（σ）による鉛直方向復元力のばね特性Ａが示されている。該特性の縦軸には皿ばねに入力される建物荷重、横軸には皿ばね１６の変形量（たわみ量）が示されている。ここで、上記建物荷重が皿ばね１６に作用した状態で、該建物荷重と、これの反力として現れる該皿ばね１６の弾発力とは等しくなる。
【００２３】
ところで、本実施形態では上記皿ばね１６を建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間に取り付けた時点で、上記建物荷重が予圧力として該皿ばね１６に作用するようになっており、該予圧力が作用した状態で上記皿ばね１６は、図３に示したばね特性Ａの非線形ばね領域Ｒの範囲に設定される。ここで非線形ばね領域Ｒとは、建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間の上下方向の隙間寸法δの見込み変化量（σ）に対して建物重量（ｗ）、つまり皿ばね１６の弾発力の変動が小さい領域をいい、上記皿ばね１６はこの非線形ばね領域Ｒ内で上下方向振動を免振するように使用される。
【００２４】
上記皿ばね１６は、それぞれの皿ばね単体１６ａが互いに結合されること無く自然状態で積層され、図１に示したように建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間に取り付けた際に図外の保持手段により積層状態が保たれる。そして、建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間の隙間δの変化に伴って皿ばね１６がたわみ変形されると、互いに重合される皿ばね単体１６ａ間が擦れ合って摩擦が発生し、この摩擦力が減衰力として作用するようになっている。
【００２５】
以上の構成により本実施形態の免振装置１０にあっては、建屋上基礎１２は皿ばね単体１６ａの積層体として構成される皿ばね１６（勿論、皿ばね単体１６ａで皿ばね１６を構成することもできる。）を介して上下方向に弾性支持されるので、建屋下基礎１４側に入力された地震等の上下振動は上記皿ばね１６を緩衝材として振動が吸収され、上記建屋上基礎１２への振動伝達を大幅に低減することができる。
【００２６】
ところで、上記皿ばね１６は建屋上基礎１２の建物荷重が作用した状態で、ばね変形量σに対して弾発力（荷重ｗ）の変動が小さくなる非線形ばね領域Ｒを用いるようになっているため、上記非線形ばね領域Ｒでは、ばね変形量σに対して弾発力の変動が小さいことによりばね剛性が小さい範囲での使用となる。従って、上記非線形ばね領域Ｒを用いる限りにおいて、支持荷重ｗを大きくしつつ固有周期を長周期化することが可能となる。このため、建物荷重を十分に支持しつつ、建屋上基礎１２を外部の振動から効果的に上下免振することができる。このとき、上記皿ばね１６は、積層された皿ばね単体１６ａ間に発生する摩擦力が減衰力として働き、この減衰力によって振動伝達係の応答性を低減させる。より大きな減衰力を必要とする場合は、オイルダンパー等の減衰装置を付設することが望ましい。
【００２７】
一方、上記皿ばね１６の下側には、滑り板２６と下方支持板２４との間に多数の鋼球２８を転動自在に介在させた移動機構１８を設けたので、これら鋼球２８が転動することにより建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との水平方向の相対移動が許容されると共に、該移動機構１８は、下方支持板２４の移動方向両端部と建屋下基礎１４との間に取り付けたコイルスプリング２０，２０ａの弾発力をもって拘束される。従って、水平振動が入力された場合には上記移動機構１８を介して建屋上基礎１２と建屋下基礎１４とが、コイルスプリング２０，２０ａの弾発力に抗して水平方向に相対移動するため、該水平振動を吸収して水平免振することができる。このとき、上記コイルスプリング２０，２０ａには建屋上基礎１２の垂直荷重が直接作用することなく、上記移動機構１８の水平移動を弾発力をもって拘束する機能を有しておれば良く、該コイルスプリング２０，２０ａのばね剛性を小さく設定することが可能となる。従って、上記移動機構１８および上記コイルスプリング２０，２０ａによって水平免振を効果的に発揮させることができ、上記皿ばね１６による上下免振と相俟って３次元免振を簡単な構造をもって達成することができる。
【００２８】
また、上記皿ばね１６はそれぞれの皿ばね単体１６ａが文字通り皿状を成して薄形に形成されるため、該皿ばね単体１６ａを積層した場合にも、該皿ばね１６を配置する建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間の隙間δを小さく設定することができる。また、大地震等により過大振動が入力された場合にあって、建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間の隙間δが大きく減少されて皿ばね１６が全たわみ量分だけ変形すると、それ以上の変形を阻止することができるため、建屋上基礎１２を剛に支持してフェールセーフ機能を発揮させることができる。
【００２９】
図４は他の形態の弾性部材を用いた実施形態を示し、上記各実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。即ち、この実施形態では上記図１に示したものと同様に鋼球２８を用いて移動機構１８を構成してあり、該移動機構１８と並列関係をもって建屋上基礎１２と建屋下基礎１４との間に、弾性部材としてのアイソレータ３６を設けてある。
【００３０】
従って、この実施形態では水平振動が入力された場合に、アイソレータ３６が水平方向に変形して上記移動機構１８の移動を許容することにより水平免振を行い、また、アイソレータ３６の変形復帰力により上記移動機構１８を初期位置に復元させる。このため、上記アイソレータ３６が有する本来の水平免振機能を発揮させつつ皿ばね１６による上下免振を付加して、３次元免振を効果的に行うことができる。
【００３１】
ところで、上記各実施形態にあっては移動機構１８，１８ａを、皿ばね１６と建屋下基礎１４との間に配置した場合を開示したが、該移動機構１８，１８ａは当該部位に限ることなく皿ばね１６と建屋上基礎１２との間、若しくは皿ばね１６と建屋下基礎１４および建屋上基礎１２の両者の間にそれぞれ設けることができる。
【００３２】
尚、上記各実施形態の免振装置１０は、地震に対してのみならず、風による建物の揺れに対しても有効に作用することはいうまでもなく、また、皿ばね１６を構成する皿ばね単体１６ａの組み合わせ配置構成に関しても、上記実施形態の開示形態に限らず、本発明の皿ばね１６に求められる設定が可能である限り、種々に変更して組み合わせて構成することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の免振装置の一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１の皿ばねの１枚を取り出して示す拡大断面図である。
【図３】本発明の免振装置の一実施形態に用いられる皿ばねの変形量と荷重との関係を示すばね特性図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態を示す図１に対応する正面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  免振装置
１２  建屋上基礎
１４  建屋下基礎
１６  皿ばね
１６ａ  皿ばね単体
１８  移動機構
２０，２０ａ  コイルスプリング
３６  アイソレータ
Ａ  皿ばね特性
Ｒ  非線形ばね領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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